Question

氮化镓(GaN)是一种重要的半导体材料。某工厂利用铝土矿(成分为Al₂O₃、Ga₂O₃、Fe₂O₃等)为原料制备GaN的流程如下图所示：

已知：镓与铝同主族，镓的熔点是29.8°C，沸点是2403°C；其氧化物和氢氧化物均为两性化合物；氢氧化物的电离常数如下：

两性氢氧化物	Al( OH)3	Ga( OH)3
酸式电离常数Ka	2×10^-11	1×10^-7
碱式电离常数Kb	1.3×10^-33	1.4×10^-34

回答下列问题：

(1)为了提高 “碱溶”效率应采用的措施是__________(回答两种措施）。

(2)滤渣1的成分是_________。

(3)滤液2中通入过量CO₂的理由是________(用离子方程式表示）。

(4)流程中利用镓与NH₃在1000℃反应生成固体半导体材料    GaN，每生成l molGaN时放出15. 45 kJ热量，写出该反应的热化学方程式________。

(5)在密闭容器中，充入一定量的Ga与NH₃发生反应 ，测得反应平衡体系中NH₃的体积分数与压强 P和温度T 的关系曲线如下图所示。图中A 点和C点化学平衡常数的大小关系： K_A____K_C (填“＜”“＝”或 “ > ”) ， 判断的依据是________。

(6)已知铝土矿中Ga₂O₃的质量分数为 a%，某工厂使用 w 吨铝土矿经过一系列反应， 反应过程中镓元素的总利用率为 b%能制得________吨氮化镓

Answer

搅拌、适当提高温度、粉碎、适当提高溶液浓度等 Fe2O3 [Ga(OH)4]-+CO2= Ga(OH)3↓+或+ CO2+ 2H2O= Ga(OH)3↓+ 2Ga(l) + 2NH3 ( g) 2GaN(s) +3H2(g) △H = -30. 9kJ•mol-1 < 由 C 点 到 B 点 ， NH3体积分数增大 ，说明 T1 > T2 ；反应放热 ，升高温度 ， K 减小 ，所以 KA < KC

【解析】

根据让固体加速溶解可采取的方法来解答；根据题中信息，Al2O3、Ga2O3均与NaOH反应，Fe2O3不与NaOH反应而进入滤渣中；根据AlO2-与过量的CO2反应的离子方程式类似写出GaO2-与CO2(过量)反应的离子方程式；由△H<0，根据图象判断T1、T2的高低和KA，KC的大小；由镓元素守恒，可计算生产GaN的质量，据此解答。

（1）为了提高碱溶效率可以将固体粉碎、搅拌、适当升高温度等，均能加速固体的溶解，也可适当提高NaOH溶液的浓度提高碱溶效率；答案为粉碎、搅拌、适当升高温度、适当提高溶液浓度等。

（2）根据铝土矿的成分为Al2O3、Ga2O3、Fe2O3等，由题中信息，镓与铝同主族，其氧化物和氢氧化物均为两性化合物，可知，加入NaOH溶液“碱溶”，Al2O3、Ga2O3均与NaOH反应进入溶液中，而Fe2O3不与NaOH反应，仍以固体形式存在，过滤时进入滤渣中，滤渣1的成分是Fe2O3；答案为Fe2O3。

（3）因为滤液2中主要是GaO2-离子，通入过量的CO2，CO2与GaO2-发生反应，生成Ga(OH)3沉淀，则离子方程式为GaO2-+CO2+2H2O=Ga(OH)3↓+HCO3-或[Ga(OH)4]-+CO2= Ga(OH)3↓+；答案为GaO2-+CO2+2H2O=Ga(OH)3↓+HCO3-或。[Ga(OH)4]-+CO2= Ga(OH)3↓+

（4）因为镓的熔点是29.8°C，沸点是2403°C，在1000℃时，镓为液体，与NH3反应生成固体GaN，则反应的化学方程式为Ga+2NH32GaN+3H2，根据每生成l molGaN时放出15. 45 kJ热量，生成2molGaN时放出30.9kJ热量，热化学方程式为2Ga(l)+2NH3(g)2GaN(s)+3H2(g)△H= -30.9kJ/mol；答案为2Ga(l)+2NH3(g)2GaN(s)+3H2(g)△H= -30.9kJ/mol。

（5）反应为放热反应，温度升高有利于逆反应，由C点到B点，氨气的体积分数增大，说明T1>T2，升温逆向移动，K减小，则KB＜KC，而A点和B点是同温，KA=KB，故KA＜KC；答案为＜，△H＜0，温度升高，平衡逆向移动，此时NH3的体积分数增大而K值减小；

（6）设制得x吨氮化镓，根据镓元素守恒，得，则x==(吨)；答案为吨。